Boya duyarlı güneş hücreleri için bazı 2,4,6-triarilpiridin türevlerinin sentezi ve karakterizasyonu

Son zamanlarda küresel nüfus büyük bir hızla artarken, ihtiyaç duyulan enerjinin üretimi büyük bir sorun haline gelmiştir. Kırsal alanlardan teknolojik olarak gelişmiş yerlere göçün çoğalması enerji talebini ve elektrik enerjisi yükünü artırmıştır. Bu sorunlar göz önüne alındığında, sürdürülebilir ve sağlıklı bir toplum için güvenli, çevreye dost ve verimli enerji kaynaklarına her zaman olduğundan daha çok gereksinim vardır. Dünya genelinde kullanılan enerjinin çok büyük bir kısmı kömür, petrol ve doğal gaz gibi fosil kaynaklı yakıtlardan sağlanmaktadır. Ancak, söz konusu yakıtların rezervlerinin kısıtlı olduğu, kullanıldıklarında sera gazları oluşturarak küresel ısınma ve iklim değişikliklerine sebep oldukları bilinmektedir. Dünya genelindeki enerji kıtlığı, çevresel endişeler ve kaynakların giderek tükenmesi güvenli ve sağlıklı bir gelecek için yenilenebilir ve sürdürülebilir enerji çözümleri aramayı çok acil hale getirmiştir. Yenilenebilir enerji kaynaklarından biri olan güneş enerjisi bolluk olarak en fazla bulunan doğal kaynaktır. Güneş ışınları fotovoltaik (PV) aygıtların kullanılmasıyla direkt olarak elektriğe dönüştürülebilir. Günümüzde fotovoltaik pazarına silisyum esaslı güneş panelleri hakimdir. Yaklaşık % 26 enerji dönüşüm verimliliğine sahip olan bu panellerin sahip oldukları zorlu üretim prosesleri, üretim aşamasında toksik kimyasalların kullanımı ve oldukça pahalı bakım süreçleri ticari olarak daha da yaygınlaşmasını kısıtlamaktadır 1991 yılında Gratzel ve grubu tarafından keşfedilen boya duyarlı güneş hücreleri (BDGH'lar), düşük üretim maliyetlerine, çevresel duyarlılığa ve sayılamayacak kadar çok boya çeşitliliğine sahiptir. Çeşitli avantajlar içeren bu hücreler silikon esaslı güneş hücrelerine umut verici alternatif olarak bilim adamlarının dikkatini çekmiştir. Beş temel kısımdan oluşan BDGH'lerin en önemli bileşenlerinden biri duyarlaştırıcı olarak kullanılan boya molekülüdür. Bu cihazlarda yarı iletken metal oksit (TiO2 vb.) yüzeyine kaplanan boya, fotonları uyarılmış elektronlara dönüştürür ve akım oluşmasına yol açar. Boya molekülünün ışık toplama kapasitesi, BDGH'nin elektrik dönüşüm verimliliğinin üst sınırını belirler. Yani, boya ışık absorplayarak, elektronların üretimi ve transferinde direkt rol oynar. Bu sebepler, BDGH'lerde kullanılacak boya moleküllerinin yapısal dizaynını çok önemli hale getirmiştir. BDGH'lerde duyarlaştırıcı olarak genellikle metal-kompleks boyalar, doğal boyalar ve metal içermeyen organik boyalar kullanılır. Molekül yapıları kolayca ayarlanabilr olan ve yüksek molar absorpsiyon katsayılarına () sahip olan metal içermeyen organik boyalar, düşük toksisiteleri ve sentezlerinin nispeten kolay olması dolayısıyla oldukça dikkat çekmektedir. Söz konusu boyalar genellikle, elektronca zengin olan elektron verici donör (D), elektronun rahatça taşınmasını sağlayan konjuge aromatik ya da heteroaromatik bir π-köprüsü, akseptör (A) adı verilen elekttron alıcı bir gruptan oluşan donör-π-akseptör (D-π-A) yapısındadır. Donör olarak sıklıkla trifenilamin, difenilamin, dialkilamin, fenotiyazin ya da karbazol vb. gruplar tercih edilir. Akseptör olarak ise genellikle elektron iletimini artırmak için yarı iletken yüzeyi ile ester bağı yapabilen karboksilli asitler ya da siyanoakrilik asit kullanılır. Molekül içi yük transferinde etkili olan ve molekülün absorpsiyon kapasitesini belirleyen aromatik π-köprüsü metal içermeyen organik boyaların ana bileşiğidir. Donör ve akseptör gruplarının nispeten sınırlı olması, boya çeşitliliğini çoğaltmak ve yeni boyalar elde etmek için π-köprüsünün önemini daha da artırmaktadır. BDGH'lerden yüksek akım sağlayabilmek için kullanılan boyanın güneşten mümkün olduğunca fazla ışın alması oldukça önemlidir. Geniş bir bölgede soğurma yapmak ve görünür bölgede daha fazla alan kaplamak için duyarlaştırıcılar genellikle tiyofen üniteleri içerecek şekilde dizayn edilmektedir. İyi derecede yük taşıyıcı özellikleri nedeniyle en verimli BDGH'ler çoğunlukla tiyofen birimleri içermektedir. Çünkü, tiyofen kısımları yapıya eklendiğinde düzlemsellik aratar, absorpsiyon spektrumu genişleyerek kırmızı bölgeye kayar ve hücre performansı daha da iyileşir. Piridin, beş karbon atomu ve bir nitrojen atomundan oluşan altı üyeli bir heterosiklik bileşiktir. Atomların dizilişi benzen molekülüne benzer, tek fark karbon-hidrojen halka gruplarından birinin yerini bir azot atomunun almasıdır. Piridin halkaları, niasin ve B6 gibi vitaminler, nikotinamid adenin dinükleotid (NAD) gibi koenzimler ve trigonelin gibi alkaloitler dahil olmak üzere çok sayıda doğal ürünün yapısında bulunurlar. Birçok ilaç ve pestisitin yapısı piridin kısmı içerir. Tıbbi kimyada kritik role sahip piridinlerin antimikrobiyal, antiviral, antioksidan, antidiyabetik, anti-sıtma, antiinflamatuar, psikofarmakolojik antagonist ve antiamoebik özelliklerin tespit edildiği çok sayıda çalıma mevcuttur. Termal kararlılıkları ve genişletilmiş π-konjuge sistemleri sayesinde 2,4,6-triarilpiridinler, floresan küçük moleküllerin, polimerlerin, supramoleküllerin ve iyon tespiti için floresan sensörlerin hazırlanmasında çok yönlü başlangıç malzemeleri olarak büyük ilgi görmüştür. Bununla birlikte, 2,4,6-triarilpiridinlerin önemi, yeni katalizörlerin ve gelişmiş cihaz bileşenlerinin (OLED'ler ve LED'ler) tasarlanmasına olanak sağlayan çeşitli metal merkezlerine yönelik mükemmel koordinasyon yetenekleriyle daha da artmaktadır. 2,4,6-triarilpiridin bileşiklerinin sentezinde kullanılan Kröhnke piridin sentezi, iyi özelliklere sahip piridin türevleri elde etmek için piridinyum metil keton tuzları, şalkon bileşikleri ve amonyum asetat arasında gerçekleşir. Literatür incelendiğinde, iyi derecede floresans özelliğe sahip 2,4,6-triarilpiridin bileşiklerinin BDGH'lerde duyarlaştırıcı olarak kullanılan boyalarda π köprüsü olarak yer aldığı herhangi bir çalışmaya rastlanmamaktadır. Bir metalin katalizör olarak kullanıldığı metal katalizli kenetlenme tepkimelerinde nükleofil ve elektrofil olan iki kısım birleştirilir. 2010 Nobel Kimya ödülünü, paladyum metalini katalizör olarak kullanarak karbon-karbon kenetlenme reaksiyonları gerçekleştiren; Heck, Negishi ve Suzuki almıştır. Paladyum metalinin varlığında aril halojenürler ile alken bileşiklerinin kenetlenme tepkimelerini keşfeden Richard Heck paladyumun organik sentezlerde kullanılmasına öncülük etmiştir. Daha sonra paladyumun kullanıldığı çok sayıda yeni karbon-karbon ve karbon-heteroatom bağlarının oluşturulduğu kenetlenme tepkimeleri rapor edilmiştir. Metal katalizli kenetlenme reaksiyonları kullanarak yeni karbon-karbon bağı oluşturmanın en etkili yollarından birisi paladyum katalizli Suzuki-Miyaura kenetlenme tepkimesidir. Bu çalışmada, boya duyarlı güneş hücrelerinde kullanılmak üzere donör olarak etoksi ve dimetilamino grupları, π-köprüsü olarak tiyofen kısmına sahip 2,4,6-triarilpiridin grubu ve akseptör olarak siyanoakrilik asit ve metilenmalononitril grubu bulunduran D-π-A yapısına sahip iki adet yeni boya (DC6 ve DC7) sentezlenmiş ve yapısal olarak karakterize edilmiştir. Ticari olarak temin edilen 4-(dimetilamino)benzaldehit, 4-etoksiasetofenon ve 2-asetiltiyofen bileşiklerinden yola çıkılarak, (3-(4-(dimetilamino)fenil)-1-(4-etoksifenil)prop-2-en-1-on (DC1), 1-(5-bromotiyofen-2-il)etan-1-on (DC2), 1-(2-(5-bromotiyofen-2-il)-2-oksoetil)pridin-1-yum iyodit (DC3), 4-(2-(5-bromotiyofen-2-il)-6-(4-etoksifenil)piridin-4-il)-N,N-dimetilanilin (DC4), 4-(5-(4-(4-(dimetilamino)fenil)-6-(4-etoksifenil)piridin-2-il)tiyofen-2-il)benzaldehit (DC5), 2-siyano-3-(4-(5-(4-(4-(dimetilamino)fenil)-6-(4-etoksifenil)piridin-2-il)tiyofen-2-il)fenil)akrilik asit (DC6) ve 2-(4-(5-(4-(4-(dimetilamino)fenil)-6-(4-etoksifenil)piridin-2-il)tiyofen-2-il)benziliden)malononitril (DC7) bileşikleri sentezlenmiştir. Bu bileşikleri elde ederken sırasıyla; şalkon eldesi, bromlama, piridinyum metil keton iyodür tuzu hazırlama, Kröhnke piridin sentezi, Suzuki-Miyaura kenetlenme reaksiyonu ve Knoevenagel reaksiyonları kullanılmaştır. 2,4,6-triarilpiridin grubunun ilk kez duyarlaştırıcılarda π-köprüsü olarak kullanılması çalışmanın orjinalliği açısından önemlidir. Sentezlenen ara ürünler dahil tüm bileşiklerin karakterizasyonu FT-IR, 1H NMR, 13C NMR ve LC-MS spektrumlarının alınarak değerlendirilmesiyle doğrulanmıştır.